1. 서 론
2. Sled 시험 재현성 확인을 위한 실차 충돌안전성평가 결과 추가 분석: 150° 50% Offset 100 km/h MPDB-to-vehicle 차대차 충돌평가 결과 분석
2.1. 에어백 전개와 인체모형 거동
2.2. 충돌 시 시험자동차 가속도 데이터
3. Sled 시험 펄스 적정성 연구
3.1. Sled 기반 시험환경 구축
3.2. Sled 시험 펄스 적정성 확인을 위한 시험변수
3.3. Sled 시험 펄스 적정성 연구 결과
4. Sled 기반 충돌안전성 평가방법 개발
4.1. 시험 조건
4.2. 시험 결과
4.3. 고찰
5. 결 론
1. 서 론
국내 자동차안전도평가는 정면, 부분정면, 측면, 기둥측면 등 다양한 형태의 시험방법으로 자동차의 충돌안전성을 평가하고 있다. 그러나 이 방법은 자율주행자동차(이하 “자율차”라 한다)가 허용하는 차량 내 탑승객의 다양한 착좌 자세를 고려한 충돌안전성을 평가하기에는 한계를 가진다.
자율주행 기술이 발달하면서 운전석과 동승석의 개념이 무뎌지고 있고, 전통적인 충돌안전성 평가에서 정의하는 정상 착좌자세의 의미가 모호해진 상황 등을 고려할 때 자율주행자동차를 대상으로 하는 새로운 충돌안전성 평가방법의 연구개발이 필요하다.
이미 유럽, 미국 등 해외 뿐만아니라 국내 자동차 제작사에서도 자율차 충돌안전성 평가를 위한 다양한 시도를 하고 있다.
김연우 등(1)에 따르면 시트백 각도 60°인 Relaxed 자세 탑승객이 속도 50 km/h로 충돌 시 Submarine 발생 위험이 높다는 결과가 도출된 바 있으며, 탑승객의 다양한 착좌자세가 충돌 시 인체상해에 큰 영향을 끼친다는 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.
충돌 속도 및 방향, 충돌 시 탑승객 구속 및 안전장치, 탑승객 착좌 조건, 그리고 다양한 사고예방장치 등에 따라 자율차 충돌안전성 평가기술 개발에 무수한 시험조건이 생성되고, 생성된 시험조건을 모두 실차 기반 시험에 적용하는 것은 시간상 문제, 평가장비의 제한성, 그리고 무엇보다도 막대한 시험비용으로 현실적 한계가 따른다. 따라서 Sled 기반 충돌안전성 평가기술 개발은 자율차 충돌안전성 평가기술 개발의 매우 중요한 한 부분을 차지한다.
본 연구는 자율차 내 탑승객 착좌 특성을 고려한 충돌안전성 평가방법 연구개발 중, Sled를 활용한 평가기술을 개발하기 위해 다양하게 시도한 시험조건(시나리오) 및 결과 중 일부에 대한 것이다. 다음 Fig. 1과 같은 방법 및 절차에 따라 연구를 추진하였고, 최종적으로 자동차안전도평가라는 제도 안에서 실차 및 Sled 기반 자율주행자동차의 차대차 충돌안전성 평가방법을 개발하기 위한 것이다.
본 연구의 기초 및 선행연구에서 국내 교통사고 특성(2)을 반영한 가장 대표적인 차대차 충돌 시나리오를 Fig. 2와 같이 도출(3,4)하였다.
위 충돌 시나리오에 따라 실차 충돌시험을 실시하였고,(3,4) 실차 충돌시험을 통해 도출된 인체모형의 거동 및 상해특성을 본 연구의 Sled 기반 시험평가 결과를 비교분석하고 재현성을 확인하는 기준 데이터로 활용하였다.
2. Sled 시험 재현성 확인을 위한 실차 충돌안전성평가 결과 추가 분석: 150° 50% Offset 100 km/h MPDB-to-vehicle 차대차 충돌평가 결과 분석
실차 충돌시험 선행연구(3,4)에서 검토, 분석한 인체모형의 거동 및 상해데이터 외 본 연구의 Sled 기반 충돌안전성 평가기술 개발을 위해 실차 시험 데이터 중 추가로 분석한 데이터는 다음과 같다.
2.1. 에어백 전개와 인체모형 거동
정상착좌와 젖힘자세에서의 인체모형 거동 특성은 운전석과 동승석이 모두 충돌 시 에어백 중심에 안착하지 못하였다. 거동 분석 결과 운전석보다 동승석 인체모형이 에어백 중심에서 더 많이 벗어난 것을 확인하였다. 운전석 인체모형 거동을 보면 Fig. 3과 같이 정상착좌의 경우 충돌 후 70~80 ms 시점 이후, 릴렉스 착좌에서는 90~100 ms 시점 이후부터 커튼에어백이 전개하면서 인체모형에 접촉하여 거동에, 특히 머리의 움직임에 영향을 주고 이에 따라 머리 및 가슴 등 상해에 영향을 끼쳤을 가능성이 높다고 판단하였다.
2.2. 충돌 시 시험자동차 가속도 데이터
시험 중 자동차 좌측, 우측 B-pillar 부위 X방향에 가속도 센서를 부착하여 충돌 후 자동차의 움직임을 분석하였다. Fig. 4처럼 충돌 후 시험 자동차의 좌, 우측 가속도 데이터가 다른 양상을 보이는데, 이는 충돌각도 150도 경사 충돌로 인해 충돌 직후 Fig. 5와 같이 시험자동차에 요잉, 피칭 등이 발생하였기 때문이다.
3. Sled 시험 펄스 적정성 연구
3.1. Sled 기반 시험환경 구축
선행연구에서 수행한 150도 경사 차대차 충돌시험을 Sled로 재현하기 위해 최대한 실차와 동일한 조건으로 Sled 시험환경을 구축하였다.
Sled 시험용 지그는 실차 충돌시험과 동일한 차종인 아이오닉5를 보유하고 있는 Sled 장비에 적용하기에 적합하도록 절단, 제작하였다. 150도 경사 충돌을 Sled에서도 재현하기 위해 지그 제작 시 회전이 가능하도록 하였으며, 반복적인 Sled 시험으로 차체와 고정부 등 주요 부위가 무너지지 않도록 보강하였다. 탑승객의 Relaxed 착좌에서 흔히 일어나는 Submarine 현상 등을 확인하기 위해 지그 제작 시 자동차 옆문을 제거하는 등 시험 목적에 최대한 적합하도록 제작하였다.
탑승객 상해 및 거동을 제한하고 구속하는 역할을 하는 주요 안전장치(좌석, 안전띠, 에어백 등)는 매 시험마다 교체하여 시험결과의 객관성, 신뢰성을 확보하였다.
3.2. Sled 시험 펄스 적정성 확인을 위한 시험변수
3.2.1. Sled 시험 펼스 데이터
위의 2.2.절에서 분석한 시험 자동차의 가속도 데이터 결과를 Sled 기반 시험 펄스로 활용하되, 실차 충돌시험에서 발생하는 요잉 현상은 본 연구에서 활용하는 Sled 장비에서는 재현하기 어려워 요잉 현상을 제외한 그 밖의 상황만을 시험에 고려하였다. 경사 차대차 충돌 각도를 30° 반영하고, Sled 시험 펄스를 Fig. 6과 같이 실차 충돌시험에서 계측한 좌/우측 가속도 데이터의 평균값으로 적용하였다.
3.2.2. 인체모형
시험에 적용되는 인체모형은 시험목적에 따라 Hybrid III 50%ile, THOR 50M을 각각 적용하였다. Fig. 1의 절차 중 우선 수행하는 Sled 시험 펄스 적정성 확인 시험에서는 충돌 시 인체모형 거동 및 안전띠 하중값을 적정성 판단 기준으로 활용하였고, 따라서 인체모형 단순 거동만을 측정하는 것으로 이때는 Hybrid III 더미를 시험에 적용하였다.
Fig. 1 절차 중 Sled 기반 충돌안전성 평가 적절성, 재현성 확인을 위한 시험에서는 실차 시험 인체모형 상해데이터와 일대일 비교분석이 필요하기에 실차 충돌시험과 동일한 THOR 50M 사용하였다.
3.3. Sled 시험 펄스 적정성 연구 결과
Sled 시험 펄스 적정성 연구를 위해 총 3회(Test 1~Test 3)의 시험을 실시하였고, 시험은 Fig. 4의 B-pillar LH/RH 가속도 평균값을 Sled 충돌 펄스 입력값으로 사용하였다. 3회의 시험 모두 인체모형 착좌는 H-point, Head C.G. 그리고 인체모형의 머리, 몸통, 골반 각도 등을 차대차 충돌과 유사하게 설정하였다. 시험을 통해 실제 재현되는 Sled 시험 펄스값과 운전석 및 동등석 안전띠 하중값을 계측하여 Sled 펄스 적정성을 확인한 결과 다음과 같다.
3.3.1. Test 1 결과
Test 1은 앞서 언급한 바와 같이 Fig. 4의 B-pillar LH/RH 가속도 평균값을 Sled 펄스 값으로 입력하였고, 시험 후 실차 시험에서의 인체모형 거동 및 안전띠 하중값 대비 Sled 시험에서 계측된 값의 차이를 비교 분석하였다.
아래 Fig. 9는 실차 시험과 Sled 시험의 안전띠 하중값을 비교한 것이다. 여기서 보면, Test 1의 경우 실차 동승석 안전띠 하중과 비교하여 하중이 8% 낮게 나온 것을 확인할 수 있었다. 운전석은 실차에 비해 9% 정도 높게 나왔는데, 실차 시험의 경우 커튼에어백(CAB)이 전개되면서 인체모형 거동에 영향을 미쳤기 때문인 것으로 판단된다. 동승석의 경우 실차 시험에서 59.5 ms에 벨트 하중 Max. 값을 얻었고, 그 시점에서 동승석 인체모형은 에어백 영향을 거의 받지 않아, 에어백 유무와 관계없이 벨트 하중의 Max. 값과 경향성으로 유사여부를 판단하였다.
운전석 및 동승석의 인체모형 거동, 그리고 안전띠 하중값을 실차 시험과 비교 분석한 결과, 실차 B-pillar LH/RH 가속도 평균값을 Sled 시험 펄스로 사용하기에는 실차 충돌 재현성이 떨어졌다.
3.3.2. Test 2 결과
Euro NCAP의 Far-side Sled test에서는 실차 B-pillar LH/RH 가속도 평균값에 1.035 scale 상수를 적용하여 Sled 펄스 입력값으로 사용한다. 이와 같은 Euro NCAP의 실차 가속도 평균값 Scale up 방식을 본 연구의 Sled 시험 펄스 적정성 확인을 위한 Test 2에 적용해 보았다.
그 결과, Test 2에서 인체모형 거동과 안전띠 하중값이 Fig. 10의 TEST 2 그래프처럼 실차와 유사한 경향을 보였으며 하중 Max. 값 차이가 1.5% 정도였다. 인체모형의 움직임은 실차에 비하여 몸체와 머리가 더 많이 움직인 것으로 보이나 실차시험과 해당 시험이 각각 다른 모델을 사용하였음과 에어백 유무로 인하여 유의미한 결과가 아니라고 판단하였다.
시험의 반복성 확인을 위해 동일한 조건으로 Test 3를 진행하였고, 적정성 검토 결과 실차 B-pillar LH/RH 가속도 평균값의 1.035 Scale up한 펄스를 Sled 기반 충돌안전성 평가의 재현성, 적절성 확인 시험에 적용하였다.
4. Sled 기반 충돌안전성 평가방법 개발
4.1. 시험 조건
4.1.1. Sled 지그 및 안전장치 준비
Fig. 11처럼 앞서 수행한 Sled 시험과 같은 조건으로 시험용 지그를 설치하였으며, 차 실내 안전장치로 좌석, 안전띠 그리고 각종 에어백(DAB, PAB, SAB, CAB)을 장착하였다.
4.1.2. 인체모형 및 착좌 자세
앞서 언급한 바와 같이 Sled 기반 충돌안전성 평가의 적정성, 재현성 확인을 위해 THOR 50M 인체모형을 사용하였고, 실차 시험 인체모형의 거동 및 상해데이터와의 비교 분석을 위해 HIC(Head Injury Criterion), ACC_3 ms, BrIC, DAMAGE, Chest_Def 등을 계측하였다.
실차 시험과 최대한 동일한 자세의 인체모형 착좌를 위해 50도의 등받이 각도로, 젖힘자세를 설정하고인체모형을 실차 시험의 Head C.G. 좌표와 머리, 가슴, 골반의 각도 및 H-point에 맞추어 착좌하였다. 본 시험은 충돌시험과의 비교를 위한 것이므로 KNCAP평가방법을 활용하여 수직, 수평으로 12.7 mm의 허용범위와 각도의 경우 ±2.5° 이내를 목표로 하였다.
4.1.3. Sled 충돌시험 펄스
마지막으로 시험 펄스는 Fig. 12와 같이 수행하였으며 앞서 연구한 내용을 기반으로 충돌 속도 재현에 문제없음을 확인하였다.
4.2. 시험 결과
4.2.1. 인체모형 거동 특성 분석
인체모형의 거동 특성은 On-board 초고속카메라로 촬영된 동영상 데이터를 기반으로 비교하였다. 먼저 운전석의 경우 Fig. 13처럼 상당 부분 차이가 있는 것으로 보인다. 에어백 전개 시점은 1 ms 차이로 두 시험이 유사하다고 보이나, CAB에 인체모형의 머리가 접촉되는 시간이 10 ms 정도 차이를 보이는 것으로 나타났다.
더하여 130~140 ms에서의 각 시험 시 인체모형 머리를 보면, 머리가 DAB에 접촉되는 시점이 서로 차이가 남을 알 수 있다. 실차 시험의 인체모형은 130 ms에서 DAB에 머리가 안착되어 있는 것을 확인할 수 있으나, Sled 시험에선 140 ms에도 접촉이 안됐음을 알 수 있다.
동승석은 Fig. 14의 비교 결과를 보면 운전석보다 더 심한 차이를 보인다.
에어백 전개 시간은 1 ms 차이로 두 시험이 유사하지만 인체모형 머리의 거동을 분석하면 에어백의 차량 안쪽부분에 접촉하는 실차 시험과 달리 Sled 시험에서는 에어백에 전혀 접촉하지 않았으며 이로써 심한 거동 차이를 보임을 알 수 있다.
4.2.2. 인체모형 상해 특성 분석
상해 특성 분석은 주요 인자들인 HIC(Head Injury Criterion), Head_ACC와 BrIC 및 DAMAGE 그리고 Chest_Def 위주로 분석하였다. 운전석의 경우 Fig. 15(a) 그래프 비교를 보면 알 수 있듯이 Head_ACC의 경향성은 유사하였으며 그 결과는 Table 1과 같이 충돌 시험에 비해 ACC_3 ms는 오차가 0.28% 정도이다. 그러나 지난 연구에서(4) 유의미한 결과를 보였던 BrIC과 DAMAGE에서는 차이를 볼 수 있었다. BrIC의 경우 Sled 시험 결과(0.828)에 비해 실차 충돌시험 결과(0.886)가 6.5%, DAMAGE는 Sled 결과(0.387)에 비해 충돌결과(0.489)로 17.5% 정도 값이 높았다. 이와 관련해서 머리 각속도는 Fig. 15(b)의 그래프에 나타난 것처럼 실차 충돌시험의 경우 Y축 각속도가 114.7 ms에서 34.45 rad/s2의 결과를 보였으나, Sled 시험에서는 123.5 ms에 27.86 rad/s2으로 더 늦게 덜 회전하였다는 것을 알 수 있다. 즉, Sled 시험의 Max. 값과 실차 충돌시험의 Max. 값 간에 약 2배 정도 차이가 있다.
Table 1.
Compare each Driverr’s head injury factors
| Crash test | Sled test | |
| Acc. 3 ms (g) | 27.50 | 27.58 |
| BrIC | 0.89 | 0.83 |
| DAMAGE | 0.469 | 0.387 |
| Head_Y_Ang_Vel_Max (Rad/s) | 34.45 (114.7 ms) | 27.86 (123.5 ms) |
운전석 Chest_Def의 경우도 Fig. 16, 17에서와 같이 유사한 경향성은 있으나 Sled 시험 결과값이 전체적으로 낮은 Max 값을 보였으며, 특히 LH UPPER, LOWER 값이 실차 충돌과 비교해 늦게 변형되었음을 확인할 수 있었다.
이는 실차 충돌시험에 비해 Sled 시험에서 운전석 인체모형의 회전량이 적었으며, 이로 인해 BrIC과 DAMAGE 결과 차이가 발생한 것으로 판단된다.
동승석 비교 분석 결과는 Table 2와 같이 실차 충돌 결과에 비해 전체적으로 낮은 머리 상해치가 나타났고, Fig. 18과 같이 Y축 머리각가속도 27%, BrIC은 18%정도 낮은 값을 보였으며, 이로 인해 머리 각가속도, 뇌상해 등에서 차이를 보였다. 반면 Chest_Def의 경우 동승석은 운전석과는 달리 실차 충돌과 비슷한 경향을 보였다. 그러나 LH/RH 모두 가슴 Upper 변위량이 충돌모의 결과가 더 높았으며 가슴 Lower 변위량은 충돌이 높은 결과를 보였다. 이는 각 시험에서 거동 및 벨트에 의해 인체모형이 받는 힘의 크기, 위치에 차이가 발생하여 그런 것으로 판단되며, 실차는 차량의 요잉에 의해 회전력에 영향을 받아 움직임이 발생하였으나 그와 달리 Sled 시험에서는 X축 방향으로만 힘이 주어졌기 때문으로 판단하였다.
Table 2.
Compare passenger dummy’s each injury values
4.3. 고찰
실차 충돌시험 결과 대비 Sled 기반 시험에서의 인체모형 거동 및 상해치 분석 결과, Sled 기반 시험은150도 경사 충돌에서 재현성이 떨어짐을 확인하였다. 이는 Sled 시험에서는 150도 경사 실차 충돌상황에서 발생하는 요잉, 피칭 현상을 볼 수 없는데 그 원인이 있는 것으로 판단된다.
운전석의 경우 인체모형이 전체적으로 실차 충돌에 비해 회전을 덜 하였고, 이로 인해 영상분석 결과 머리 젖힘이 덜했고, 상해치에서 머리 각속도의 Max. 값이 낮고 늦게 나타나, BrIC과 DAMAGE 값에서 차이를 보였다. 좌측 Chest_Def.도 실차 충돌에 비해 Max.의 발생 시점이 느린 것을 알 수 있다.
동승석의 경우 Sled 시험에서 머리가 에어백에 접촉하지 않았으며 이로 인해 시간대별 인체모형 거동에 큰 차이가 발생하였다. 전체적으로 머리 상해값은 낮았고, 흉부상해는 Upper와 Lower과 다른 경향을 보였다. 이는 운전석과 마찬가지로 요잉 등 충돌과 Sled 시험의 차이에 의해서 발생한 것으로 보인다.
다만, 해당 연구는 SUV, 아이오닉 1차종만 시험 분석한 결과이므로 모든 차량에서의 경향성을 대표한다고는 말하기는 어렵다.
5. 결 론
본 연구는 자율차 대상 150도 경사 차대차 충돌시험의 결과를 기반으로 Sled를 활용한 시험방법을 개발하기 여러 가지 시도 중 하나의 방법이다. 해당 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
1) Sled를 활용한 자율차 150도 경사충돌 안전성을 평가하기 위해서는 실차 기반 시험과 Sled 시험 에서의 인체모형 거동과 상해치를 비교, 분석하여 유사한 경향성을 보여야 한다.
2) 인체모형 거동 유사성을 확인하기 위한 영상분석 결과 운전석은 실차 시험에 비해 Sled에서 머리 젖힘량이 적은 것을 확인하였고, 에어백 접촉시간에도 차이가 있었다. 특히, 동승석의 경우 Sled 시험에서는 인체모형이 에어백에 아예 접촉하지 않는 거동을 보이는 등 두 시험 간의 인체모형 거동 상당한 차이가 있음을 확인하였다.
3) 운전석 및 등승석 인체상해 정도 또한 인체모형 거동과 유사한 경향을 보였다. 운전석 상해치 분석 결과 실차 시험에서의 인체모형 회전량이 커서, 뇌 손상 위험성이 더 높았고, 이는 동승석에서도 마찬가지 결과를 보였다.
위와 같은 결과는 실차 기반 경사 충돌에서 충돌 시 발생하는 요잉, 피칭 등의 현상을 Sled로 정확하게 재현하기 어렵기 때문에 발생한 것이다. 다시 말해 경사충돌의 경우 Sled로 실차 시험을 대신하기에는 재현성이 떨어진다고 할 수 있다.
본 연구의 후속으로 Sled를 활용한 MPDB 충돌시험, Full frontal 충돌시험 재현성을 확인하고, 최종적으로는 자율차를 대상으로 충돌 시 탑승객 안전성을 평가하기 위한 다양한 평가방안 중 Sled 기반 평가기술의 하나로 도출, 제안할 계획이다.
